Г.И. Белебезьев_Физиология и патофизиология искусственной вентиляции лёгких-1

Глава 1. Анатомические и физиологические характеристики дыхательной системы

•предшествующие хронические обструктивные легочные заболе­ вания (ХОЛЗ);

•сердечная недостаточность;

•возраст (ЕЗ = ФОЕ в 65 лет в положении стоя и в 54 года в по­ ложении лежа на спине).

Вработе анестезиолога, среди прочих нарушений легочных функций, довольно часто встречается послеоперационная рестрик­ ция легких. Во время и после операции, проводимой под общей ане-

с т е з и е й , о с о б е н н о после верхней л a п a p o т o м и и и т о р а к о т исходит существенное снижение функции легких, которое обычно описывается как острая рестрикция (сокращение) всех легочных объемов. Степень такой рестрикции легочных объемов связана, главным образом со следующими факторами:

•уменьшением резервного объема вдоха на 10% от исходного значения;

•уменьшением ЖЕЛ приблизительно на 50-75%;

•уменьшением ФОЕ на 35%.

Уменьшение статических легочных объемов вызывается в ос­

новном:

•болью с последующим поверхностным дыханием;

•подавлением кашля;

•дорзобазальными послеоперационными ателектазами;

•повышением внутрибрюшного давления под действием различ­ ных причин;

•остаточным действием наркотиков и мышечных релаксантов; Пациенты после операции часто дышат поверхностно и не каш­

ляют, так как для эффективного кашля ЖЕЛ у них должна быть не менее трех дыхательных объемов (нормальное значение 8 мл/кг мас­ сы тела). При этом возникает опасность задержки бронхиальной слизи с последующим развитием ателектазов и вторичной пневмо­ нии. Патофизиологическое значение снижения ФОЕ состоит в уменьшении разницы между ФОЕ и емкостью закрытия. При пре­ вышении емкостью закрытия уровня ФОЕ происходит закрытие мелких дыхательных путей в конце спокойного выдоха. Периодическое закрытие альвеол быстро ведет к возрастанию внутрилегочного

право-левого шунтирования и уменьшению оксигенации. Поэтому

20

Глава 1. Анатомические и физиологические характеристики дыхательной системы

необходимо сохранять ФОЕ выше ЕЗ, поддерживая зону газообмена открытой. В этой связи адекватная послеоперационная анестезия и респираторная терапия являются приоритетными. При планировании лечения в послеоперационном периоде необходимо учитывать, что более чем у 30% пациентов после хирургического вмешательст­ ва развивается дыхательная недостаточность, если ЖЕЛ меньше 50% нормального значения (1,75-2 л у взрослых). Послеоперацион­ ная рестрикция легочных функций возвращается к норме только че­ рез 2-3 недели.

1.4. Передача изменений объема грудной полости легким

Легкие, которые полностью окружены плеврой, плотно приле­ гают к внутренней стенке грудной клетки. Между двумя плевраль­ ными листками находится только тонкий слой жидкости, который обеспечивает разделение этих листков. Они могут легко смещаться относительно друг друга подобно двум зеркальным поверхностям со смазкой. Таким образом, легкие могут свободно двигаться, подчиня­ ясь движениям грудной клетки. Давление между двумя плевраль- ными листками (внутриплевральное давление) ниже атмосферного во время обычного дыхания и составляет у взрослых от -4 до -8 см вод. ст. Во время вдоха разница возрастает тем больше, чем глубже дыхание и может достигать -40 см вод. ст. При форсированном выдохе позитивное внутриплевральное давление может достигать +40 см вод. ст. Если воздух попадает в плевральную полость, то плевральные листки разделяются. Легкое больше не может подчи­ няться движениям грудной стенки и спадается под действием собственной эластической тяги (пневмоторакс).

1.5. Оценка респираторных механизмов

При вдохе и выдохе дыхательная система преодолевает неэла­ стическое (вязкое) сопротивление, которое состоит из:

1)аэродинамического сопротивления воздухоносных путей;

2)неэластического (вязкого) сопротивления тканей легких, грудной клетки и брюшной полости;

21

Глава 1. Анатомические и физиологические характеристики дыхательной системы

3) инерционного сопротивления массы тканей и воздуха, участ­ вующих в дыхании (из-за его незначительности им пренебрегают).

Аэродинамическое сопротивление воздухоносных путей. Вды­ хаемый и выдыхаемый воздух движется по воздухоносным путям под действием градиента давления между полостью рта и альвеола­ ми. Воздушный поток отчасти имеет ламинарный характер, а в мес­ тах разветвления бронхов и их сужения - турбулентный. Вопросу о характере движения воздуха в дыхательных путях придается боль­ шое значение в связи с качественными и количественными разли­ чиями ламинарного и турбулентного потоков газов.

В случае ламинарного потока газа, движущегося по цилиндри­ ческой гладкостенной трубке, между давлением и скоростью потока существует линейная зависимость, и объемная скорость при постоянном давлении обратно пропорциональна вязкости газа и не зави­ сит от его плотности (закон Пуазейля):

Ламинарный поток в трубке превращается в турбулентный, ко­ гда число Рейнольдса (производное объемной скорости и плотности газа) превосходит критическое значение, равное 2300. Однако при наличии искривлений трубки, неровностей на ее внутренней стенке турбулентные потоки возникают при значениях числа Рейнольдса значительно меньших, чем критическая величина. Поэтому даже при малых скоростях движения воздуха и достаточно большом радиусе трахеи, когда число Рейнольдса по расчету близко к 1250, в ней можно обнаружить турбулентные потоки. Особенно благоприятные условия для этого создаются в местах сужений (например, голосовая щель) и воздушных ходов сложной конфигурации разного калибра (в носовой полости и носоглотке). При турбулентном потоке газов имеет значение коэффициент трения f, зависящий от числа Рей­ нольдса и от плотности газа. При сравнении этой зависимости

22

Глава 1. Анатомические и физиологические характеристики дыхательной системы

с формулой закона Пуазейля (для ламинарного потока) обращает на себя внимание не только разный характер связи между давлением

(Р) и объемной скоростью (Q), но и отличия между сопротивления­ ми ламинарному и турбулентному потокам. Сопротивление турбу­ лентному потоку, в отличие от ламинарного зависит от плотности газа.

Для биомеханики дыхания наиболее существенными являются три обстоятельства, связанные с характером движением газов. Вопервых, при увеличении скорости воздушного потока давление, не­ обходимое для его обеспечения, возрастает в большей мере, чем скорость потока, потому что при увеличении скорости ламинарный поток переходит в турбулентный, при котором давление пропорцио­ нально квадрату объемной скорости (Q2 ). Таким образом, при больших минутных объемах дыхания, когда величина Q велика, градиент давления, обеспечивающий движение воздуха (разность между атмосферньм и альвеолярным давлением), увеличен непропорционально по отношению к объемной скорости движения воздуха. Так, по сводным данным, при спокойном дыхании этот градиент близок к 2-3 см вод. ст./л*с-1 и возрастает при усиленном дыхании до 5-10 см вод. ст. /л*с-1.

Второе важное обстоятельство состоит в том, что при разных скоростях движения воздуха давление, которое обеспечивает это движение, определяется главным образом просветом воздухоносных путей, так как оно обратно пропорционально при ламинарном потоке (где r - радиус трубки), а при турбулентном даже r5. Поэтому резкое увеличение разности между альвеолярным и атмосферным давлением во время вдоха и особенно выдоха (при умеренной ско­ рости движения воздуха), как правило, свидетельствует о сужении просвета дыхательных путей.

Наконец, давление, создающее необходимую скорость движе­ ния воздуха, зависит от вязкости газов (при ламинарном потоке) и от их плотности (при турбулентном потоке). При изменениях состава вдыхаемых газов (например, при дыхании гелий-кислородными смесями) или при изменении давления воздуха (например, в горах или в барокамерах) давление вдоха при той же скорости газа в дан­ ных условиях будет соответственно повышено или понижено. При

23

Глава 1. Анатомические и физиологические характеристики дыхательной системы

уменьшении вязкости и плотности газов давление вдоха будет по­ нижено как за счет уменьшения сопротивления ламинарного, так и турбулентного потоков газов. Увеличение только плотности газов (например, при дыхании воздухом при давлении 3 атм.) должно бы­ ло бы сказаться только на сопротивлении турбулентного потока. В реальных условиях дело обстоит сложнее. Математический анализ происходящих в действительности изменений отношений давления и скорости движения воздуха при разных объемах показал, что их нельзя объяснить только изменениями турбулентного сопротивле­ ния. Вероятно, обнаруженное расхождение связано с тем, что в за­ висимости от вариаций плотности воздуха изменяется не только турбулентное сопротивление, но происходит также переход ранее ламинарного потока в турбулентный (так как число Рейнольдса за­ висит от плотности). Таким образом, при разных режимах дыхания (т.е. при разной скорости движения воздуха, разной его плотности, разном просвете дыхательных путей) анализ результирующих пока­ зателей сложен, так как происходит не только изменение параметров в границах постоянных физико-математических закономерностей, но и смена одних физических процессов другими. Это обстоятельст­ во и наличие ряда других фактов, которые пока не удается объяс­ нить исходя из представлений о движении воздуха как о совокупно­ сти ламинарных и турбулентных потоков, побуждает некоторых ав­ торов признавать значение только эмпирически установленных за­ кономерностей, не связывая их с определенными физическими представлениями. Однако такие эмпирические показатели не явля­ ются универсальными и уводят от физического анализа явлений. Следует ожидать, что по мере совершенствования методов исследо­ вания и моделирования удастся связать все наблюдающиеся явления с определенными физическими процессами и свойственными им количественными закономерностями.

Резистентность (К) - это мера сопротивления дыхательных путей движению воздуха. Она определяется градиентом давления между началом и концом трубки и объемом газа, проходящего через нее за промежуток времени. Резистентность измеряется в см вод. ст./л*с-1: R = dР/v.

24

Глава 1. Анатомические и физиологические характеристики дыхательной системы

Для дыхательных путей это будет разница между атмосферным давлением во рту минус альвеолярное давление (РА). У здоровых взрослых значение сопротивления дыхательных путей составляет 2- 4 см вод. ст./л*с-1. У интубированных пациентов со здоровыми лег­ кими инспираторная резистентность составляет 4-6 см вод. ст./л*с-1. Интубационная трубка и дыхательный контур при отсутствии его обструкции составляют более половины общей резистентности. У детей из-за анатомо-физиологических особенностей дыхания пока­ затели резистентности значительно выше. Нормальные значения резистентности дыхательных путей - см. табл. 1.1. Определить эф­ фективную резистентность можно по параметрам ИВЛ:

Пример. Максимальное давление на вдохе равно 23 см вод. ст., плато давления вдоха - 20 см вод. ст., инспираторный поток - 36 л/мин (0,6 л/с).

Rэфф. = (23 - 20) : 0,6 = 5 см вод. ст./л/с.

Согласно закону Пуазейля, сопротивление обратно пропорцио­ нально 4-й степени радиуса, т.е. сопротивление возрастает в 16 раз при уменьшении диаметра дыхательных путей в 2 раза, R = L/r4 .

Причины увеличения сопротивления дыханию:

•усиленная секреция и задержка секрета;

•отек слизистой (астма, бронхит, отек легких);

•бронхоспазм;

•эмфизема (динамическое сопротивление дыхательных путей);

•инородное тело;

•опухолевый стеноз.

Сопротивление тканей (вязкое сопротивление) создается тканя­ ми грудной и брюшной полости, обусловлено их внутренним трени­ ем и неупругой деформацией:

Неэластическое сопротивление = сопротивление воздухоносных путей + сопротивление тканей.

В норме общее неэластическое сопротивление легких на 80-90% создается воздухоносными путями и только 10-20% - тканями.

25

Глава 1. Анатомические и физиологические характеристики дыхательной системы

1.6.Изменение сопротивления в течение дыхательного цикла

Трахеобронхиальное дерево - это не система ригидных трубок. Поскольку бронхи утрачивают свой хрящевой каркас с 11 до 13 ге­ нерации, эффективные силы могут расширять и сужать эту более значительную, чем содержащая хрящи часть бронхиальной системы. Просвет бронхиол, не содержащих хрящей, сохраняется открытым, главным образом, благодаря эластичности окружающей легочной ткани.

Для сохранения мелких дыхательных путей открытыми важны два фактора:

•эластическая тяга легких;

•внутриплевральное давление (давление, распространяемое на все легкие, включая воздухоносные пути).

Во время вдоха удлинение эластических волокон легких увели­ чивает эластическую сократительную силу (подобно растянутой пружине). Бронхиолы растягиваются более сильной радиальной тягой, бронхиальное сопротивление падает. При выдохе эластическая тяга уменьшается, бронхиолы становятся уже, бронхиальное сопротивлениевозрастает. Эти циклические изменения сопротивления объясняют, почему экспираторная фаза всегда немного больше, чем инспираторная. По этой же причине нарушение выдоха играет большую роль, чем вдоха, при обструкции дыхательных путей, ко­ гда выдох становится удлиненным и затрудненным и над легкими выслушиваются экспираторные стенотические шумы, свистящие и хрипящие. Во время форсированного выдоха увеличение внутриплеврального давления более +40 см вод. ст. и выше может привести к динамической компрессии мелких дыхательных путей. Когда внутриплевральное давление значительно превышает давление в просвете бронхиол, они резко суживаются или могут даже закрыть­ ся.

Альвеолярное давление (РА) - это сумма внутриплеврального давления (Рв/пл.) и давления эластической тяги легких (Рэласт.): РА = Рв/пл. + Рэласт.

Комплайнс (С) (compliance, податливость, растяжимость) - мера растяжимости легких, которая отражает эластические свойства ап-

26

Глава 1. Анатомические и физиологические характеристики дыхательной системы

парата дыхания. Это зависимость между изменениями объема лег­ ких и изменениями интраальвеолярного давления, которая измеря­ ется в мл/см вод. ст.:

dV (мл)

dР (см вод. ст.)

Если в эксперименте дополнительный объем (V) ввести в эла­ стическую емкость, которая имеет определенный объем и опреде­ ленное давление (Р), то объем этой емкости изменится на величину AV, а давление на величину АР. Чем больше compliance, тем меньше будет прирост давления при добавлении одного и того же объема.

Растяжимость (compliance) грудной клетки и легких наибольшая при спокойном дыхании. У здорового взрослого человека растяжи­ мость грудной клетки и легких при спокойном дыхании составляет: Сгр.кл. = 0,1 л/см вод.ст.

Для определения compliance легких достаточно определить из­ менение внутриплеврального давления (проще внутрипищеводного) и подставить полученные цифры в указанное выше уравнение. По­ лученное значение будет соответствовать статической растяжимо­ сти легких, которая зависит не только от эластических свойств лег­ ких, но и от их объема. Чем меньше исходный объем, тем меньше его изменения. У детей в возрасте 9-12 лет растяжимость в 2-3 раза ниже, чем у взрослых. В этой связи при диагностическом определе­ нии растяжимости легких необходимо учитывать их исходный объ­ ем, т.е. ФОЕ.

Для клинических целей статическую растяжимость легких больных, которым проводится ИВЛ, можно рассчитать по формуле:

Экспираторный дыхательный объем (мл)

C стат.=

Давление плато - ПДКВ (см вод. ст.)

Уровень Сстат. у интубированных пациентов без заболеваний легких составляет 50-70 мл/см вод. ст. Важно, чтобы при ИВЛ дли­ тельность инспираторного плато была достаточной для измерения давления в стабильных условиях, когда поток = 0. Для точного рас­ чета статического С внутрилегочный поток газа должен быть пре­ кращен путем закрытия дыхательных путей на 3-5 с. Дальнейшее

27

Глава 1. Анатомические и физиологические характеристики дыхательной системы

требование к правильному измерению Сстат. - это полное расслабле­ ние дыхательной мускулатуры, т.е. полное отсутствие мышечной активности, которое обычно может быть достигнуто только глубо­ кой седацией или релаксацией.

Динамический compliance. При ИВЛ без фазы плато нельзя обеспечить постоянные условия когда поток равен 0; в таких случа­ ях может быть рассчитан только динамический С (Сд и н ):

С д и н . имеет небольшое клиническое значение, так как характери­ зует компоненты сопротивления совместно с силами эластической тяги.

Эффективный комплайнс. Если давление и объем, из-за техни­ ческих соображений, измеряются не в области эндотрахеальной трубки, а далеко от пациента, в аппарате, вместо С с т а т определяется так называемый эффективный С (Сэ ф ф . ). Он включает специфический С респиратора, увлажнителя и системы трубок. Расчетные значения не позволяют делать вывод о реальных значениях Сс х а т . легких и грудной клетки, но могут указывать на тенденцию их изменений до тех пор, пока внешние условия (такие как респиратор, система тру­ бок) не изменятся. С респиратора обычно составляет 3-4 мл/см вод. ст., т.е. 3-4 мл объема теряются при увеличении давления на 1 см вод. ст. Поэтому во время механической вентиляции с \^ = 800 мл и внутреннем С трубок 3 мл/см вод. ст., Vtэфф. = 740 мл при Рмакс. = = 20 см вод. ст., а при Рмакс. = 40 см вод. ст. Vtэфф. = 680 мл.

Комплайнс обратно пропорционален эластической тяге легких: С = 1/Рэласт.

Грудная клетка растягивается соответственно наполнению лег­ ких. Грудная клетка и легкие представлены двумя эластическими сис­ темами, соединенными параллельно. Общая податливость состоит из податливости легких и грудной клетки. Податливость легких состав­ ляет у здоровых взрослых 200 мл/см вод. ст., податливость грудной стенки соответствует этому значению. Податливость их обоих со­ ставляет 100 мл/см вод. ст., как сумма реципрокных систем, склады­ вающихся друг с ДРУГОМ в системе параллельного соединения:

28

Глава 1. Анатомические и физиологические характеристики дыхательной системы

Эластичность легких у новорожденных очень небольшая и уве­ личивается с возрастом. Таким образом, у новорожденных, детей до года и маленьких детей спонтанное дыхание осуществляется против повышенного сопротивления со сниженной податливостью. Нор­ мальные значения общей податливости представлен в табл. 1.1. По­ датливость (С) легких определяется эластичностью волокнистых структур легких (С снижена при легочном фиброзе, интерстициальном отеке легких, наличии жидкого внутрилегочного содержимого) и активностью сурфактанта.

1.7. Поверхностное натяжение

Стремление расправленных легких спасться обусловлено как на­ пряжением эластических волокон их паренхимы, так и поверхност­ ным натяжением в альвеолах. На любой поверхности раздела между воздухом и жидкостью действуют силы межмолекулярного сцепле­ ния, стремящиеся уменьшить величину этой поверхности (силы по­ верхностного натяжения). Под влиянием таких сил альвеолы стремят­ ся сократиться, что усиливает эластическую тягу легких в целом. При сравнении фактической величины поверхностного натяжения со зна­ чением, вычисленным при предположении, что на поверхности аль­ веол имеется водянистая пленка, оказалось, что поверхностное натя­ жение альвеол в 10 раз меньше, чем теоретическая, расчетная величи­ на. Это означает, что в альвеолярной жидкости имеются вещества, снижающие поверхностное натяжение. Молекулы таких веществ сильно притягиваются друг к другу, но обладают слабым сродством к жидкости, вследствие чего они собираются на поверхности и тем самым снижают поверхностное натяжение. Такие вещества называ­ ются поверхностно-активными, или сурфактантами.

Альвеолярная жидкость, в которой содержатся сурфактанты, обладает еще одной особенностью. При расширении альвеол их по­ верхностное натяжение становится довольно высоким (0,04- 0,05 Н/м), а при спадении - значительно меньшим (0,002-0,005 Н/м). Это объясняется тем, что при уменьшении альвеол молекулы сур-

29